Princip magnetické rezonance

Srp 22, 2013   //   by   //   Studium  //  No Comments

Magnetická rezonance (MRI)Magentická rezonance (též MRMRI, z anglického „magnetic resonance imaging“) je zobrazovací technika používaná především ve zdravotnictví k zobrazení vnitřních orgánů lidského těla. Pomocí MRI je možné získat řezy určité oblasti těla, ty dále zpracovávat a spojovat až třeba k výslednému 3D obrazu požadovaného orgánu. Magnetická rezonance využívá velké magnetické pole a elektromagnetické vlnění s vysokou frekvencí. Na rozdíl od CT vyšetření, které je s MR někdy alternativní, tedy nenese žádná rizika způsobená zářením (nulová radiační zátěž). Nevýhodou vyšetření MR je určitá hlučnost zařízení. Podstatou barevného odlišení jednotlivých tkání je jejich rozdílné chování při stejném vnějším působení. Vyšetření se provádí buď s nebo bez použití kontrastní látky (gadolinium vpichem do žíly). Jako synonymum bývá někdy používáno výrazu jaderná tomografie, od něho je ale upouštěno, protože mylně vzbuzuje dojem souvislosti s jadernou energií. Další rozvoj této metody vedl v poslední době k vývoji funkční magnetické rezonance (fMRI) a DTI = DT-MRI.
Fyzikální princip magnetické rezonance (MRI) představuje nukleární magnetická rezonance (NMR). Ta využívá skutečnosti, že protony stejně jako neutrony mají určitý vlastní moment tzv. spin díky němuž získává celé atomové jádro určitý magnetický moment. Pokud je takovéto rotující jádro umístěno v konstantním magnetickém poli  dochází k tomu, že se nasměruje podle působení tohoto pole a osa jádra bude lehce rotovat kolem směru působícího pole . Tento pohyb vzniká při každé změně působícího magnetického pole, dokud se jádro v dané poloze neustálí. Pokud vnější pole přestane působit, vrací se jádro do své původní klidové polohy. Pokud se přidá druhé kolmo působící (transverzální) pole  začne jádro opět rotovat. Aby byla jádra udržena ve stálém pohybu, používá se vysokofrekvenční magnetické pole, které současně rotuje v rovině XY. Dříve používaná pole o velikosti 0,2-0,5 Tesla nejsou dnes již obvyklá a nahrazují je přístroje s poli o velikostech kolem 7 Tesla (magnetické pole Země je v ČR zhruba 20 T). Ve výzkumu jsou běžná pole až do velikosti 20 Tesla.

Pro vyvolání rotačního pohybu kolem osy má každé jádro určitou rezonanční frekvenci, obvykle nazývanou jako vlastní frekvence. Ta závisí na působícím magnetickém poli a na vnitřní struktuře jádra. Vlastní frekvence pro vodík je při 1 Tesla 42,58 MHz, protože ze všech prvků je vodík v lidském těle nejpočetněji zastoupen, používá se právě frekvencí podobných této. Volbou velikosti prvního statického magnetického pole  a volby velikosti pro transverzální magnetické pole  se dá velice přesně určit, která jádra budou v rezonanci. Rezonancí je magnetický moment  jádra překlopen o 90° do roviny XY a osa pak rotuje podle transverzálního pole. Pokud je transverzální pole odpojeno, rotuje jádro stále v rovině XY. Přiblížením cívky do blízkosti rotujícího magnetického momentu se v ní indukuje napětí, které je následně měřeno. Zjednodušeně je velikost naměřeného napětí závislá na poloze a typu tkáně.

Výhodou MRI vůči ostatním zobrazovacím metodám v diagnostické radiologii je větší přesnost při zobrazení většiny orgánů, jež je důsledkem rozdílné intenzity signálu u odlišných měkkých tkání. Navíc toto zobrazení probíhá bez možného škodlivého ionizujícího záření. Některé orgány jako nervy či mozková tkáň bylo možné neinvazivně zobrazovat až právě pomocí MRI. Díky rozsahu nastavení vyšetření je možné dosáhnout rozlišení, které dalece přesahuje možnosti rentgenu či CT. Dalšího zlepšení může být ještě dosaženo podáním kontrastní látky, která pomůže odhalit přítomnost zánětů nebo nádorových tkání.

Nový vývoj umožnil zkrátit časový interval získání jednoho snímku na několik milisekund. To umožnilo tzv. MRI-Fluoroskopii, při které jsou pohybující se orgány zobrazovány v reálném čase, což nachází široké uplatnění v intervenční radiologii.

Nevýhody magnetické rezonance

Hlavní nevýhodou této metody jsou vysoké pořizovací i provozní náklady, stejně jako vyšší časové nároky oproti jiným vyšetřením.

Pro pacienty jsou hlavním nebezpečím vedlejší účinky při přítomnosti kovových materiálů v těle, které se mohou zahřát a způsobovat nebezpečí. U nových materiálů by neměl být ale žádný problém. Větší nebezpečí hrozí u pacientů s kardiostimulátory a jinými elektrickými přístroji, u kterých je ve většině případů nemožné vyšetření provést.

Ve srovnání s CT se artefakty vyskytují častěji a snižují kvalitu výsledného obrazu. Nedají se s tím vyšetřovat pohybující se části těla (typicky střevní kličky). Zatímco například CT vyšetření lze u moderních přístrojů vytvořit velmi rychle a tím vliv tohoto pohybu eliminovat, u magnetické rezonance to není možné.

Atomové jádro se skládá z neutronů a protonů, které neustále rotují kolem své vlastní osy v pohybu nazývaném spin. Protony jsou kladně nabité částice a každá pohybující se nabitá částice vytváří magnetické pole a vykazuje magnetický moment. Magnetický moment, neboli také magnetický dipólový moment, je vektorová fyzikální veličina charakterizující magnetický dipól. Magnetický dipólový moment se značí m a jeho jednotkou je ampér metr čtverečný A.m2. Magnetický dipólový moment je určen vztahem m = IS, kde I je elektrický proud procházející smyčkou dipólu a S je orientovaná plocha ohraničená smyčkou dipólu. Pro konkrétní základní představu magnetického momentu uvažujme jen elektron. K jeho magnetickému momentu lze názorně dospět tímto způsobem: Budeme uvažovat nejjednodušší atom – atom vodíku, který je v klidu.

V elektrostatickém poli kladně nabitého jádra se bude záporně nabitý elektron pohybovat po uzavřených trajektoriích (orbitách). Elektron je elektricky nabitý, a proto vytvoří při uvažovaném pohybu po uzavřené trajektorii proudovou smyčku, která je ekvivalentní magnetickému dipólu. Tak vznikne magnetické pole, které je sice velmi slabé, ale přesto bude na elektron působit. Tímto způsobem lze dojít intuitivně k magnetickému momentu elektronu. U ostatních objektů (protony, jádra, atomy) je pak základní myšlenka výkladu magnetického momentu podobná. Veličina se jmenuje magnetický moment. Srovnáme-li tento pojem s mechanikou, nutně musíme dojít k závěru, že tato veličina bude popisovat rotující objekt. Vzhledem k tomu, že existuje veličina spin, která také v základním přiblížení souvisí s rotací, můžeme dospět k závěru, že i magnetický moment (elektronu, jádra, atomu) souvisí se spinem (elektronu, jádra, atomu).

Atomová jádra se sudým nukleonovým číslem se nechovají ke svému okolí magneticky (nemají spin), protože se jejich magnetické momenty ruší a nelze je používat pro MR zobrazení. Atomová jádra s lichým nukleonovým číslem si svůj magnetický moment zachovávají. Charakteristickým zástupcem této skupiny je atom vodíku 1H, který má jeden proton a vykazuje relativně velký magnetický moment. V organismu je více než 60% vody a 1H je tedy nejvhodnějším objektem pro MR zobrazování. Další zástupci jsou 13C, 19F,23Na, 31P.

Atomové jádro v magnetickém poli

Vložíme-li jádro do silného magnetického pole, uspořádají se rotační osy protonů rovnoběžně se siločárami vnějšího magnetického pole. Větší počet z nich je v poloze, kdy jejich magnetický moment je orientován souhlasně (paralelně) s vektorem vnějšího magnetického pole a menší počet protonů je orientován opačně (o 180°, antiparalelně). Antiparalelní uspořádání protonů je energeticky náročnější, a proto je jich méně než polovina.

Princip NMR

Princip NMR spočívá v tom, že je-li rotující jádro umístěno v konstantním magnetickém poli B0, dojde ke srovnání magnetických momentů (os rotace) s vnějším magnetickým polem a osa jádra bude lehce rotovat kolem směru působícího pole B0. Tento pohyb vzniká při každé změně působícího magnetického pole, dokud se jádro v dané poloze neustálí. Pokud vnější pole přestane působit, vrací se jádro do své původní klidové polohy. Pokud se přidá druhé kolmo působící (transverzální) pole BT, začne jádro opět rotovat. Aby byla jádra udržena ve stálém pohybu, používá se vysokofrekvenční magnetické pole, které současně rotuje v rovině XY.Volbou velikosti prvního statického magnetického pole B0 a volby velikosti pro transverzální magnetické pole BT se dá velice přesně určit, která jádra budou v rezonanci. Rezonancí je magnetický moment m jádra překlopen o 90° do roviny XY a osa pak rotuje podle transverzálního pole. Pokud je transverzální pole odpojeno, rotuje jádro stále v rovině XY. Přiblížením cívky do blízkosti rotujícího magnetického momentu se v ní indukuje napětí, které je následně měřeno. Zjednodušeně je velikost naměřeného napětí závislá na poloze a typu tkáně.

Rezonance

Magnetické momenty natočené paralerně a antiparalerně v magnet. poli (černé rovnoběžky). Fáze precesních pohybů je synchronizovaná Lamorovou frekvencí.

Jednak se směr magnetického momentu každého jednotlivého precedujícího protonu v čase mění a jednak se protony pohybují v různých fázích, neboli jsou nakloněny v daném čase různým směrem. Tím dochází ke vzájemnému vyrušení jejich vlivu na úhrnný vektor magnetizace tkáně v rovině kolmé na směr magnetického pole. Vektor výsledné tkáňové magnetizace má tedy směr totožný se směrem siločar vnějšího magnetu a v tomto stavu ho není možné měřit. Můžeme říci, že je v zákrytu vnějšího magnetického pole.

Abychom mohli měřit rezonanční frekvenci protonů, tedy jejich spektrum, je nutné vychýlit úhrnný vektor magnetizace z jeho rovnovážné polohy a tím docílit vzniku vektoru příčné tkáňové magnetizace. Jak bylo zmíněno výše, tak velikost příčného vektoru je nulová z důvodu chaotického pohybu částic. Změny lze dosáhnout dodáním energie v podoběelektromagnetického impulzu. Aby došlo k absorpci elektromegnetického vlnění protony, je potřeba, aby Larmorova frekvence částic byla shodná s frekvencí vyslaného impulsu.

Pokud tomu tak je, dochází k jevu magnetické rezonance, to má několik důsledků:

1. protony začnou vykonávat svůj precesní pohyb ve fázi
2. dojde ke zmenšení rozdílu paralelně a antiparalelně (energeticky náročněji) uspořádaných protonů a tím se zmenší vektor podélné magnetizace
Výsledkem je pak již zmíněný vektor příčné magnetizace.

„Situace bývá výstižně přirovnávána k výletní lodi s mnoha cestujícími na palubě: dokud jsou cestující rozmístěni a náhodně a celkem rovnoměrně po palubě, pluje loď rovně. Jakmile se však cestující shluknou dohromady začnou obcházet podél zábradlí palubu, bude se loď periodicky naklánět postupně na všechny strany.“

Relaxační časy T1 a T2

Postupný návrat do původního stavu, žlutě T1(orientace magnet. momentu), fialově T2 (změna precesní fáze).

Po skončení elektromagnetického impulsu již není protonům dodávána energie a proto se vrací do původního, energeticky výhodnějšího, paralelního postavení a mizí jejich synchronní pohyb. Tento děj se nazývá relaxace.

Dochází při něm k postupnému zvětšování podélného vektoru magnetizace a čas za jaký dojde k obnovení tohoto vektoru na 63 % se označuje T1 (podélná relaxace, neboli spin-mřížka relaxace). Zároveň však dochází ke ztrátě vektoru příčné magnetizace vymizením synchronního pohybu protonů, což je důsledek vzájemného působení magnetických polí jednotlivých částic. Čas, za který klesne vektor příčné magnetizace na 37 % své hodnoty se označuje T2 (příčná relaxace, nebolli spin-spin relaxace).

V absolutním měřítku jsou relaxační časy T1 2x až 10x delší než relaxační časy T2. V biologické tkáni se hodnoty T1 pohybují v rozmezí 300-2000 ms, T2 30-150 ms. V praxi je pokles příčné složky tkáňové magnetizace ovlivněn ještě drobnými změnami v nehomogenitě vnějšího magnetického pole. Pokles je tak podstatně strmější.

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.